Understanding the Photoelectrochemical Properties of Theoretically Predicted Water‐Splitting Catalysts for Effective Materials Discovery

材料科学 光电流 分解水 催化作用 析氧 光催化分解水 制氢 带隙 纳米技术 化学工程 电化学 光电子学 光催化 物理化学 生物化学 工程类 化学 电极
作者
Rowan R. Katzbaer,Monica J. Theibault,Nicole E. Kirchner‐Hall,Zhiqiang Mao,Ismaïla Dabo,Héctor D. Abruña,Raymond E. Schaak
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (46) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/aenm.202201869
摘要

Abstract Data‐intensive discovery of water‐splitting catalysts can accelerate the development of sustainable energy technologies, such as the photocatalytic and/or electrocatalytic production of renewable hydrogen fuel. Through computational screening, 13 materials were recently predicted as potential water‐splitting photocatalysts: Cu 3 NbS 4 , CuYS 2 , SrCu 2 O 2 , CuGaO 2 , Na 3 BiO 4, Sr 2 PbO 4 , LaCuOS, LaCuOSe, Na 2 TeO 4 , La 4 O 4 Se 3 , Cu 2 WS 4 , BaCu 2 O 2 , and CuAlO 2 . Herein, these materials are synthesized, their bandgaps and band alignments are experimentally determined, and their photoelectrocatalytic hydrogen evolution properties are assessed. Using cyclic voltammetry and chopped illumination experiments, 9 of the 13 materials are experimentally found to have bandgaps and band alignments that straddle the potentials required for the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), as computationally predicted. During photocatalytic testing, 12 of the materials yield a measurable photocurrent. However, only three are found to be active for the HER, with Cu 3 NbS 4 , CuYS 2 , and Cu 2 WS 4 producing H 2 in amounts comparable to bare TiO 2 ; a benchmark photocatalyst. This study provides experimental validation of computational bandgap and band alignment predictions while also successfully identifying active photocatalysts.
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